智能仪器设计：7 智能仪器可靠性与抗干扰技术

1、第七章 智能仪器可靠性与抗干扰技术可靠性概述7.1可靠性设计7.2智能仪器抗干扰技术7.3首页本章重点7.1 可靠性概述 近年来，智能仪器越来越深入和广泛地应用到工业自动化、生产过程控制、智能化仪器仪表等领域中，有效地提高了生产效率，改善了工作条件，大大控制质量与经济效益。但是，系统工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可能性、安全性就成为一个非常突出的问题。智能仪器必须长期稳定、可靠地运行，否则将导致控制误差加大严重时会使系统失灵，甚至造成巨大的损失。下 页上 页返 回 可靠性是描述系统长期稳定、正常运行能力的一个通用概念，也是产品质量在时间方面的特征表示。可靠性又是一个统计的概念，表明在

2、一时间内产品或系统稳定正常完成预定功能指标的概率。对于应用在工业现场的微机控制测控系统而言，可靠性指标是最重要的质量指标。 可靠性的定义是指产品或系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠性最集中反映了某种产品或设备的质量指标。 描述可靠性的定量指标常用可靠度、失效率、平均无故障时间这些特征量。 下 页上 页返 回1.可靠性的基本概念 （1）可靠度是指产品或系统在规定条件下和规定的时间内完成规定功率的概率。这里的规定条件包括运行的环境条件、使用条件、维修条件和操作水平等等。（2）失效率又称故障率，是指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。数字电路以及其他

3、电子产品，在其有效寿命期间内，如果它的失效率是由电子器件、集成电路芯片的故障所引起的，则失效率为常数。这是因为电子器件、集成芯片经过老化筛选后，就进入偶发故障期。在这一时期内，它们的故障是随机均匀分布的，故障为一常数。下 页上 页返 回（3）平均无故障工作时间又称平均寿命，是产品寿命的平均值。对于可修复系统，平均寿命可看作是“一个或多个产品在它的使用寿命期内某个观察期间累积工作时间与故障次数之比”。对于不可修复的产品，平均寿命可看作是“当所有试验样品都观察到寿命终了时，用所有实际值计算出算术平均值作为样品累积试验时间，样品累积试验时间与失效数之比为平均寿命 ”。 平均无故障工作时间是最常用的描

4、述可靠性的特征量，它比可靠度、失效率更直接形象地给出了一个产品的可靠性的参数指标。 下 页上 页返 回 影响智能仪器可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些因素对智能仪器造成的干扰后果主要表现在下述几个方面。（1）数据采集误差加大干扰侵入智能仪器系统单元模拟信号的输入通道，叠加在有用信号之上，会使数据采集误差加大，特别是当传感器输出微弱信号时，干扰更加严重。（2） 控制状态失灵一般微机输出的控制信号较大，不易受到外界的干扰。但微机输出的控制信号常依据某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的

5、状态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控制误差加大，甚至控制失常。下 页上 页返 回2.可靠性的总体考虑 （3）数据受干扰发生变化智能仪器中的微机系统中，由于RAM存储器是可以读/写的，因此在干扰的侵害下，RAM中的数据有可能被窜改。根据干扰窜入的途径、受干扰数据的性质不同，系统受损坏的情况也不同。有的造成数据误差，有的使控制失灵，有的改变程序状态，有的改变某些部件（如定时器/计数器，串行口等）的工作状态等。（4）程序运行失常微机中程序记数器PC的正常工作，是智能仪器系统维持程序正常运行的关键所在。但若外界干扰导致PC值的改变，破坏了程序的正常运行。由于受到干扰后的PC值是随机的，因而

6、导致程序混乱。通常情况下是程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或系统失灵。下 页上 页返 回2.可靠性的总体考虑 由于存在干扰，如何保证和提高智能仪器的可靠性和安全性，成为一个需要立即解决的问题，这是因为：（1）随着智能仪器在测控系统中的广泛应用，使用条件从环境优良的机房转向工厂、野外、水上、空中等复杂环境，其工作条件往往比较恶劣，导致计算机受干扰而出错的概率增加。（2）随着智能仪器功能的日益完善和运算速度的加快，其系统的组成日趋复杂，所使用的元器件增多，印刷电路板装配密度加大，这些都使智能仪器发生故障的概率增大。（3）随着工业自动化程度的提高和数字化、智能化

7、仪表的广泛采用，人们对计算机的依赖程度也越来越高，成为提高生产率和产品质量的重要技术手段。如计算机在运行中经常发生故障，轻则影响产品的质量和产量，重则可以导致事故，造成巨大的经济损失。下 页上 页返 回2.可靠性的总体考虑 （4）随着计算机应用的迅速普及，操作人员一时难以全面、深入地了解和掌握复杂系统的各个环节。这就要求智能仪器能自动防止和容许工作人员操作失误，而不至于产生严重的控制误差和系统发生故障。 综上所述，提高智能仪器的可靠性、安全性，成为人们日益关心的课题。智能仪器抗干扰技术的研究，就是在这种需求下产生的，人们在不断完善智能仪器的微机系统硬件配置过程中，分析系统受干扰的原因，探讨和提

8、高系统的抗干扰能力，这不仅具有一定的科学理论意义，而且具有很高的工程实用价值。因此，智能仪器可靠性和抗干扰技术的研究和应用，是现在科研上重点研究的课题。 下 页上 页返 回2.可靠性的总体考虑 导致智能仪器系统运行不稳定的内部因素主要有以下三点：（1）元器件本身的性能与可靠性。元器件是组成系统的基本单元，其特性好坏与稳定性直接影响整个系统性能与可靠性。因此，在可靠性设计当中，使其在长期稳定性、精度等级方便满足要求。（2）系统结构设计。包括硬件电路结构设计和运行软件设计。元器件选定之后，根据系统运行原理与生产工艺要求将其连成整体 ，并编制相应软件。电路设计中要求元器件或线路布局合理，以消除元器件

9、之间的电磁耦合相互干扰；优化的电路设计也可以消除或消弱外部干扰对整个系统的影响，如去耦电路、平衡电路等等；下 页上 页返 回2.可靠性的总体考虑 也可以采用冗余结构，当某些元器件发生故障时也不影响整个系统的运行。软件是智能仪器中微机测控系统区别于其他通用电子设备的独特之处，通过合理编制软件可以进一步提高系统运行的可靠性。（3）安装与调试。元器件与整个系统的安装与调试，是保证系统运行和可靠性的重要措施。尽管元件选择严格，系统整体设计合理，但安装工艺粗糙，调试不严格。仍然达不到预期的效果。 下 页上 页返 回2.可靠性的总体考虑 影响智能仪器可靠性的外因是指智能仪器所处工作环境中的外部设备或空间条

10、件导致系统运行的不可靠因素，主要包括以下几点：（1）外部电气条件，如电源电压的稳定性、强电场与磁场等的影响。（2）外部空间条件，如温度、湿度、空气清洁度等等。（3）外部机械条件，如振动、冲击等 。 为了保证智能仪器可靠工作，必须创造一个良好的外部环境。例如：采取屏蔽措施、远离产生强电磁场干扰的设备；加强通风以降低环境温度；安装紧固以防止摆动；等等。 下 页上 页返 回2.可靠性的总体考虑 7.2 可靠性设计 针对影响智能仪器可靠性的各种因素的特点，必须采取相应的硬件或软件方面的措施，这是智能仪器可靠性设计的根本任务。为提高可靠性，可以从硬件、软件两方面考虑采取相应的措施，特别是在系统设计时就予

11、以考虑。下 页上 页返 回7.2.1.硬件可靠性设计 下 页上 页返 回 元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，外部环境是保证，这是可靠性设计遵循的基本准则，并贯穿于系统设计、安装、运行的全过程。1.元器件级可靠性措施 元器件是仪器系统的基本部件，元器件的性能与可靠性是系统整体性能与可靠性的基础。由于大规模集成技术的进步，大规模数字电路以及模拟集成芯片的可靠性也大大提高，这就为设计高性能、高可靠性的智能仪器奠定了基础。 电子元器件故障率的降低主要由生产厂家来保证。为了保证所选用的元器件的质量或可靠性指标符合设计要求，必须采取下列措施：（1）严格管理元器件的购置、储运。（2）老

12、化、筛选、测试。（3）降额使用。（4）选用集成度高的元器件。2.部件及系统级的可靠性措施下 页上 页返 回 部件及系统级的可靠性技术是指功能部件或整个系统在设计、制造、检验等环节所采取的可靠性措施。元器件的可靠性主要取决于元器件制造商、部件及系统的可靠性取决于设计的精心设计。可靠性资料表明，影响计算机可靠性因素，有40%来自电路及系统设计。（1）冗余技术 冗余技术也称容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性的一种设计方法。如在电路设计中，对那些容易产生短路的部分，以串联形式复制；对那些容易产生开路的部分，以并联的形式被复制。冗

13、余技术包括硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗余等。硬件冗余是用增加硬件设备的方法，当系统发生故障时，将备份硬件顶替上去，使系统仍能正常工作。2.部件及系统级的可靠性措施下 页上 页返 回（2）电磁兼容设计电磁兼容性是指计算机系统在电磁环境中的适应性，即能保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的，使系统既不受外部电磁干扰的影响，也不对其他电子设备产生影响。智能仪器常用的抗电磁干扰的硬件措施有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等；常用的软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等等。（3）信息冗余技术 对智能仪器而言，保护信号和重要数据是提高可靠性的重要方面。为了防

14、止系统因故障等原因而丢失信息，常将重要数据或文化多重化，复制一份或多份“拷贝”，并存于不同空间。一旦某一区间或某一备份被破坏，则自动从其他部分重新复制，使信息得以恢复。2.部件及系统级的可靠性措施下 页上 页返 回（4）故障自动检测与诊断技术对于复杂的系统，为了保证能及时检验出有故障装置或单元模块，以便及时把有用单元替换上去，就需要对系统在线的测试与诊断。这样做的目的有两个：一是为了判定动作或功能的正常性；二是为了及时指出故障部位，缩短维修时间。（5）失效保险 有些重要系统，一旦发生故障时希望整个系统应处于安全或保险状态。例如，某些工业自动化装置一旦发生故障，不论性质如何，应自动切断执行设备，

15、以免造成更大事故。7.2.2.软件可靠性设计 下 页上 页返 回 智能仪器运行软件是系统欲实行的各项功能的具体反映，设计人员高级脑力劳动的结晶。软件的可靠性主要标志是软件是否真实而准确地描述了欲实现的各种功能。因此，对生产工艺的了解熟悉程度直接关系到软件的编写质量。提高软件可靠性的前提条件是设计人员对生产工艺过程的深入了解，并使软件易读、易测和易修改。 为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化、标准化和模块化，尽可能把复杂的问题化成若干较为简单明确的小任务。把一个大程序分成若干独立的小模块，这有助于及时发现设计中的不合理部分，而且检查和测试几个小模块要比检查和测试大程序方便很多。 软件可靠性技

16、术尚在探索研究阶段，许多理论问题有待解决，例如软件的可测性问题。以下介绍一些实践中使用的技术。7.2.2.软件可靠性设计 下 页上 页返 回1.时间冗余技术 为了提高智能仪器的可靠性，可以采用重复执行某一操作或某一程序，并将执行结果与前一次的结果进行比较对照来确认系统工作是否正常。只有当两次结果相同时，才被认可，并进行下一步操作。如果两次结果不一样，可以再重复一次，当第三次结果与前两次之中的一次相同时，则认为另一结果是偶然故障引起的，应当剔除。如果三次结构均不相同时，则初步判定为硬件永久性故障，需进一步检查。 这种方法是用时间为代价来换取可靠性，称为时间冗余技术，俗称重复检测技术。它的优点是不

17、用增加设备的硬件投资，简单易行。其不足之处是减慢了运行速度。因而只能用在执行时间比较宽余，操作步骤又是比较重要的情况。 2.指令冗余技术下 页上 页返 回 为了使“乱飞”的程序在程序区迅速纳入正规，应该用单字节指令，并在关键地方认为地插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，称之为指令冗余。(1) NOP的使用 可在双字节指令和三字节指令之后插入两个单字节NOP指令，这可保证其后的指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落在操作数上，由于两个空操作指令NOP的存在，不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正规。 对程序流向起决定作用的指令（如 RET、RETI、ACALL、LCALL、

18、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等）和某些对系统工作状态起重要作用的指令（如SETB、EA等）之前插入两条NOP指令，可保证乱飞程序迅速纳入轨道，确保这些指令正确执行。2.指令冗余技术下 页上 页返 回(2) 重要指令冗余 对于程序流向起决定作用的指令（如 RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等）和某些对系统工作状态起重要作用的指令（如SETB、EA等）的后面，可重复写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。 由以上可看出，采用冗余技术使PC纳入正确轨道的条件是：跑飞的PC必须指向程序运行区，并且必须执行到冗余指令。3.软件陷阱技

19、术下 页上 页返 回 当乱飞程序进入非程序区（如EPROM未使用的空间）或表格区时，采用冗余指令使程序入轨条件便不满足，此时可以设定软件陷阱，拦截乱飞程序，将其迅速引向一个指定位置，在那里有一段专门对程序运行出错进行处理的程序。(1) 软件陷阱软件陷阱，就是用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正规。软件冗余可采用两种形式，如下：形式一：软件陷阱形式： NOP NOP LJMP 0000H 对应入口形式： 0000H：LJMP MAIN ；运行程序 3.软件陷阱技术下 页上 页返 回形式二：软件陷阱形式： LJMP

20、0202H LJMP 0000H 对应入口形式： 0000H：LJMP MAIN ；运行主程序 0202H：LJMP 0000H 形式一的机器码为：0000020000形式二的机器码为：020202020000根据乱飞程序落入陷阱区的位置不同，可选择执行空操作、转到0000H和直转0202H单元的形式之一，使程序纳入正规，指定运行到预定位置。 3.软件陷阱技术下 页上 页返 回(2) 软件陷阱的安排a.未使用的中断区当未使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，就能及时捕捉到错误的中断。在中断服务程序中要注意：返回指令用RETI，也可以用LJMP。中断程序中的断点地址为主程

21、序中非使用单元。b.未使用的EPROM空间现在使用的EPROM一般很少全部用完，对于未使用的非程序用区可用0000020000或020202020000数据填满。注意，最后一条填入数据应为020000。当乱飞程序进入此区后，便会迅速自动入轨。3.软件陷阱技术下 页上 页返 回(2) 软件陷阱的安排c.运行程序区前面曾指出，乱飞的程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余技术加以解决，也可以设置一些软件陷阱，更有效地抑制程序乱飞，使程序运行更加可靠。程序设计时常采用模块化设计，按照程序的要求一个模块一个模块的执行。可以将陷阱指令组分散放置在用户程序各模块之间空余的单元里。在正常程序中不执行这些陷阱指令

22、，保证用户程序正常运行。但当程序乱飞一旦落放入这些陷阱区，马上将乱飞的程序拉到正确轨道。这个方法很有效，陷阱的多少一般依据用户程序大小而定，一般每1K字节有几个陷阱就够了。3.软件陷阱技术下 页上 页返 回(2) 软件陷阱的安排d.中断服务程序区 举例如下，设用户主程序运行区间为ADD1ADD2，并设定时器T0产生10ms定时中断。当程序乱飞落入ADD1ADD2区间外，若在此用户程序区外发生了定时中断，可在中断服务程序中判定中断地址ADDX。若ADDXADD1或ADDXADD2，说明发生了程序乱飞，则应使程序返回到复位入口地址0000H，使乱飞程序纳入正规。假设ADD1=0100，ADD2=1

23、000H，2FH为断点地址高字节暂存单元，2EH为断点地址低字节暂存单元。3.软件陷阱技术下 页上 页返 回(2) 软件陷阱的安排e. RAM数据保护的条件陷阱智能仪器外RAM保存大量数据，这些数据的写入是使用“MOVX DPTR，A”指令来完成。当CPU受到干扰而非法执行该指令时，就会改写RAM中的数据，导致RAM中的数据丢失。为了减少RAM中数据丢失的可能性，可在RAM写操作之前加入条件陷阱，不满足条件时不允许写入，并进入陷阱，形成死循环。 落入死循环之后，可以通过后面讲述的“看门狗”技术使其摆脱困境。4.看门狗技术下 页上 页返 回 PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死

24、循环”。指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，通过采用程序监视技术，又称“看门狗”技术，使程序摆脱“死循环”。测控系统的应用程序往往采用循环运行方式，每一次循环的时间基本固定。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H入口，在0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正规。软件看门狗技术的基本思路是：在主程序中对T0中断服务程序进行监视；在T1中断服务程序中对主程序进行监视；T0中断监视T1中断。从概率观点，这种相互依存、相互制约的抗干扰措施将使系统运行的可能性大大提高。

25、4.看门狗技术下 页上 页返 回 系统软件包括主程序、高级中断子程序和低级中断子程序三部分。假设将定时器T0设计成高级中断，定时器T1设计成低级中断，从而形成中断嵌套。现分析如下： 主程序完成系统测控功能的同时，还要监视T0中断因干扰而引起的中断关闭故障。A0为T0中断服务程序运行状态观测单元，T0中断运行时，每中断一次A0便自动加1。再测控功能模块运行程序入口处，先将A0之值暂存于E0单元。由于测控功能模块程序一般运行时间较长，设定在此期间T0产生定时中断，从而引起A0的变化。在测控功能模块的出口处，将A0的即时值与先前的暂存单元E0的值相比较，观察A0值是否发生变化。若A0之值发生了变化，

26、说明T0中断运行正常；若A0之值没有变化，说明T0中断关闭，则转到0000H处，进行出错处理。4.看门狗技术下 页上 页返 回 T1中断服务程序完成系统特定测控功能的同时，还监视主程序运行状态。在中断服务程序中设置一个主程序运行计数器M，T1每中断一次，M便自动加1。M中的数值与T1定时溢出时间之积表示时间值。若M表示的时间值大于主程序运行时间T，说明主程序陷入死循环，T1中断服务程序便修改断点地址，返回0000H，进行出错处理。若M小于T，则中断正常返回。M在主程序入口处循环清0。 受到干扰破坏的机率很小。A1、B2为T1中断运行状态观测单元。S1的初始值为00H ，T1每发生一次中断，A1

27、便自动加1。T0中断服务程序中若检测A1大于零，说明T1中断正常；若A1=0，则说明T1中断失效，失效时间为T0定时溢出时间与Q值之积。Q值的选取取决于T1、T0定时溢出时间。由于T0中断级别高于T1中断，所以T1的任何中断故障都会因T0的中断而被检测出来。4.看门狗技术下 页上 页返 回 当系统受到干扰后，主程序可能发生死循环，而中断服务程序也可能陷入死循环后因中断方式字的破坏而关闭中断。主程序的死循环可由T1中断服务程序进行监视；T0中断的故障关闭可由主程序进行监视；T1中断服务程序的死循环和故障关闭可由T0的中断服务程序进行监视。由于采用了多重软件监视方法，大大提高了系统运行的可靠性。

28、值得指出，T0中断服务程序若因干扰而陷入死循环，应用主程序和T1中断服务程序无法检测出来。因此，编程时尽量缩短T0中断服务程序长度，使发生死循环的机率大大降低。5.编写软件的其他注意事项下 页上 页返 回 提高智能仪器中微机系统运行的可靠性，除了采用指令冗余、软件陷阱、“看门狗”技术外，编写程序时还应注意以下几点：（1）尽量采用单字节指令，以减少因干扰而程序乱飞的几率。（2）慎用堆栈。程序运行中经常与堆栈打交道，但堆栈操作因干扰而出错的机率较大，堆栈操作次数越多，出错机率也越大。因此，在使用堆栈操作指令时，一次不能使用太多，减少子程序的个数，特别注意不要使子程序嵌套层次太多。5.编写软件的其他

29、注意事项下 页上 页返 回（3）屏蔽中断是受CPU内部中断允许控制寄存器控制的中断。不可屏蔽中断不受CPU内部中断允许控制寄存器控制。系统受到干扰时，很有可能使中断允许控制寄存器失效。从而使中断关闭。因此，“看门狗”发生的故障信号应接入CPU的不可屏蔽中断输入端NMI。MCS-51单片机没有不可屏蔽中断控制方式，“看门狗”电路输出的故障信号应接复位信号RESET端。（4）智能仪器的微机系统所采用的可编程I/O芯片，如8255、8251等，原则上在上电启动后初始化一次即可。但工作模式控制字可能因噪声干扰等原因受到破坏，使系统输入/输出状态发生混乱。因此，在应用过程中，每次用到这种接口时，都要对有

30、关功能重新设定一次，确保接口的可靠工作。7.3 智能仪器抗干扰技术7.3.1.干扰产生与分类 噪声和干扰是仪器仪表的大敌，它混在信号之中会降低仪器的有效分辨能力和灵敏度，使测量结果产生误差。在数字逻辑电路中，如果干扰信号的电平超过逻辑元件的噪声容限电平，会使逻辑元件产生误动作，导致系统工作紊乱。噪声和干扰是不可避免的，随着工业自动化技术的发展，许多仪器仪表需要在很强的现场运行，是智能仪器设计中必须考虑的问题。1.干扰与噪声 干扰与噪声是两个不同性质的概念。一般来说，把那些来自信号外部、可以用屏蔽或接地的方法加以减弱或消除的影响称为“干扰”；而把由于材料或器件内部的原因而产生的污染称为“噪声”。

31、下 页上 页返 回7.3.1.干扰产生与分类 2.噪声的来源与特点 噪声是来自元器件内部的一种信号污染源。例如，任何处于绝对零度以上的导电体都会产生热噪声；因电子的随机作用会产生散粒噪声等等。这些噪声的形态大多是由一些尖脉冲组成的，其幅度和相位都是随机的，因此常称为随机噪声，随机噪声的产生降低了传感器和仪器的分辨率，它混杂于信号之中，严重时甚至可把有用信号掩埋，给我们测试工作造成了巨大的困难。统计分析表明，随机噪声幅度的概率分布属正态（高斯）分布。下 页上 页返 回7.3.1.干扰产生与分类 3.干扰的来源与特点 干扰的来源很多，性质也不一样。干扰窜入仪器的渠道主要有三个：（1）空间电磁场。通

32、过电磁波辐射窜入仪器，如雷电、无线电波等。（2）传输通道。各种干扰通过仪器的输入输出通道窜入，特别是长传输线受到的干扰更严重。（3）配电系统。如来自市电的工频干扰，它可以通过电源变压器分布电容和各种电磁路径对测试系统产生影响。各种开关、可控硅的启闭，元器件的机械振动等都会对测试过程引起不同程度的干扰。 干扰的特点是来自测试系统外部，因此一般可以通过屏蔽、滤波或电路元器件的合理布局，通过电源线和地线的合理连接，引线的正确走向等措施加以减弱或消除。下 页上 页返 回7.3.1.干扰产生与分类 干扰的类型通常按干扰产生的原因、干扰传导模式和干扰波形的性质的不同进行划分。1.按干扰产生的原因分类(1)

33、放电干扰:主要是雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断开等放电产生的干扰。(2)高频振荡干扰:主要是中弧炉、感应电炉、开关电源、直流-交流变压器等产生高频振荡时形成的干扰。(3)浪涌干扰:主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流引起的干扰。 这些干扰对智能仪器都有严重影响，必须认真对待，而其中尤其以各类开关分断电感性负载所产生的干扰最难以抑制或消除。下 页上 页返 回7.3.1.干扰产生与分类 2.按干扰传导模式分类 对于传导干扰，按其传导模式分为常模干扰和共模干扰。 常模干扰是难以除掉的，共模干扰从本质上讲是可以除掉的。但是由于

34、线路的不平衡状态，共模干扰会转化成常模干扰。当发现常模干扰时，首先考虑它是否由于线路不平衡状态而从共模干扰转换过来的。通常，输入输出线与大地或机壳之间发生的干扰都是共模干扰，信号线受到静电感应产生的干扰也多为共模干扰。抑制共模干扰的方法很多，如屏蔽、接地、隔离等。抗干扰技术在很多方面都是围绕共模干扰来研究其有效的抑制措施。下 页上 页返 回7.3.1.干扰产生与分类 3.按干扰波形及性质分类 这里最为典型的是将干扰划分为持续正弦波和各种形状的脉冲波。(1)持续正弦波 持续正弦波多以频率、幅值等特征值表示。(2)偶发脉冲电压波形 多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲宽度以及能量等特征值表示。例如雷击

35、波、接点分断电压负载、静电放电等波形。(3)脉冲列 脉冲列多以最高幅值、前沿上升陡度、脉冲序列持续时间等特征值表示，如接点分断电感负载、接地反复重燃过电压等。下 页上 页返 回7.3.2.干扰的耦合方式 干扰源产生的干扰是通过耦合通道对智能仪器发生电磁干扰的。因此，需要弄清干扰源与被干扰对象之间的传递方式和耦合机理。 噪声的传递几乎都是通过导线，或者通过空间和大地传递的。在实际工程中，要避免从电磁场的角度研究噪声传递的复杂性，可以采用简化电路模型的处理方法。采用集中参数回路分析，就是将耦合通道用集中参数的电容C、电感L及互感M表示。1.直接耦合方式 电导性耦合最普遍的方式是干扰信号经过导线直接

36、传导到被干扰电路中而造成对电路的干扰。在智能仪器中，干扰噪声经过电源线耦合进入计算机电路是最常见的直接耦合现象。对这种耦合方式，可采用滤波去耦的方法有效地抑制或防止电磁干扰信号的传入。下 页上 页返 回7.3.2.干扰的耦合方式 2.公共阻抗耦合方式 是噪声源和信号源具有公共阻抗时的传导耦合。公共阻抗随元件配置和实际器件的具体情况而定。 公共阻抗耦合一般发生在两个电路的电流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路。常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。 为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗趋近于零，通过耦合阻抗上的干扰电流和产生的干扰电压将消失。此时，有效回路与干扰回路

37、即使存在电气连接，它们彼此也不再互相干扰，这种情况通常称为电路去耦，即使没有任何公共阻抗耦合的存在。下 页上 页返 回7.3.2.干扰的耦合方式 3.电容耦合方式 这是指电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应。又称静电耦合或电场耦合。智能仪器中的微机测控系统电路的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在着分布电容。如果某一个导体上的信号电压通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，这样的现象就称为电容性耦合。4.感应耦合方式 电磁感应耦合又称磁场耦合。在任意载流导体周围空间中都会产生磁场。若磁场是交变的，则对其周围闭合电路产生感应电势。在设备内部，线圈或变压器的漏磁是一个很大的干扰；在设备

38、外部，当两根导线在很长的一段区间架设时也会产生干扰。下 页上 页返 回7.3.2.干扰的耦合方式 5.辐射耦合方式 电磁场辐射也会造成干扰耦合。当高频电流流过导体时，在该导体周围便产生电力线和磁力线，并发生高频变化，从而形成一种在空间传播的电磁波。处于电磁波中的导体便会感应出相应频率的电动势。6.漏电耦合方式 漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间的绝缘电阻降低时，有些电信号便会通过这个降低了的绝缘电阻耦合到逻辑元件的输入端而形成干扰。 下 页上 页返 回7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效方法。实践表明，通过合理的硬件电路设计，可以消弱或抑制绝

39、大部分干扰。下面介绍在工程上广泛采用的一些硬件抗干扰电路的工作原理及参数设计，主要包括滤波技术（无源滤波和有源滤波）、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。1. 无源滤波器与有源滤波器 滤波是为了抑制噪声干扰，在数字电路中，当电路从一个状态转换到另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。当电路接通与断开电感负载时，产生的瞬变噪声干扰往往严重妨害系统的正常工作。所以在电源变压器的进线端加入电源滤波器，消弱瞬变噪声的干扰。下 页上 页返 回7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 1. 无源滤波器与有源滤波器 滤波器按结构分为无源滤波器和有源滤波器。由无源元件电阻、电容和电感组

40、成的滤波器为无源滤波器。此外，还有用软件实现的数字滤波器。 滤波器最重要的是其频率特性，用对数幅频特性20lgA来表示。 信号通过滤波器，被滤除（或称被衰减）的信号频率称为阻带，被传输的信号频带称为通带。根据阻带和通带的频谱，又可以将滤波器分为下面四种：（1）低通滤波器：允许低频信号通过，但阻止高频信号通过。（2）高通滤波器：允许高频信号通过，但阻止低频信号通过。下 页上 页返 回7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 1. 无源滤波器与有源滤波器（3）带通滤波器：允许规定的某频段信号通过，但阻止高于或低于该频段的信号通过。（4）带阻滤波器：只阻止规定的某频段信号通过，但允许高于或低于该频段的信

41、号通过。在抗干扰技术中，使用最多的是低通滤波器，其主要元件是电容和电感。电容滤波器电容C的电抗与频率有关。随着频率滤波器的输出电压衰减逐渐增加，起到滤波效果。滤波器的电容要耐压高，绝缘好，温度系数小和自谐振频率高等特性。电容滤波器接在干扰源线间能衰减串模噪声，接在干扰源和地线间能衰减共模噪声，接在印刷电路板中的直流电源间能抑制电源噪声。下 页上 页返 回7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 1. 无源滤波器与有源滤波器下 页上 页返 回 由电阻、电容和运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器。RC有源滤波器可做成混合型集成电路，因而体积小。RC有源滤波器的谐振频率可由RC网络任意设定，网络的损耗由

42、运算放大器补偿。另外，这种滤波器可做成高品质因数，并且当Q（品质因数）值一定时其谐振频率可调。因此，RC有源滤波器是当前应用较多的一种滤波器。7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回 屏蔽技术与双绞线传输方式都可以起到抑制外部电磁感应的作用，但两者工作原理有异。为了便于比较两种抗干扰措施的使用方法，将两种措施集中在一起介绍。(1). 屏蔽的一般原理 屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，割断其空间场的耦合通道。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果。屏蔽的方法通常是用低电阻材料作成屏蔽

43、体，把需要隔离的部分包围起来。这个被隔离的部分可以是干扰源，也可以是易受干扰的部分。这样，即屏蔽了被隔离部分向外施加干扰，也屏蔽了被隔离部分接受外来的干扰。2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回 根据干扰的耦合通道的性质，屏蔽可分为电场屏蔽、电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类。a.电场屏蔽 从电学的基本知识可知，将任意形状的空心导体置于任意电场中，电力线将垂直地终止于导体的表面，而不能穿过导体进入空腔，因此放在导体空腔内的物体将不受外界电场的影响。这种现象叫做静电屏蔽。利用这一性质，可以屏蔽一些电子设备和信号传输导线，使其不受外界干扰。 静电屏蔽的方法一般是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导

44、体。由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为零，从而割断了电场干扰的原来耦合通道。电源变压器的初、次级间的屏蔽，就是静电屏蔽，就是静电屏蔽的具体例子。2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回b.电磁场屏蔽 电磁场屏蔽主要是用来防止电磁场对受扰电路的影响。根据电磁理论，电磁场的变化频率越高，辐射越强。因而在电磁场屏蔽中，既包括电磁感应干扰的屏蔽，也包括辐射干扰的屏蔽。 电磁场屏蔽的基本原理如下： 当导体上通过高频变化电流时，周围空间便产生相应变化的电磁场，这些变化的电磁场可以在临近的电路引起电磁感应，又可以向外辐射，通过空间而干扰周围电路。 如果环绕导体有一个反方向的变化电流，所产生的磁场与导

45、体中电流产生的磁场方向相反，对其起抵消作用，这就减弱了外界的干扰。反方向的电流由载流导体外的接地屏蔽罩来产生。由于屏蔽罩在高频磁场的作用下产生涡流，而涡流的磁场又与原磁场方向相反，因而可以实现高频磁场屏蔽。2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回 综上所述，对屏蔽罩的要求为：（1）屏蔽罩应采用低电阻的金属材料，如铝、铜等良性材料。（2）由于是利用屏蔽罩产生涡流的原理，且变化频率很高，根据趋肤效应，屏蔽罩的厚度对屏蔽效果关系不大。但屏蔽罩是否连续以及其网孔大小，却直接影响到感生涡流的大小，因而也影响到屏蔽效果。如果屏蔽罩在垂直于导体电流方向上开缝，就没有屏蔽效果。因此，屏蔽越严密，则屏蔽效果

46、越好。（3）对装置壳体或控制柜而言，应注意外皮的接缝部位要清洁，相互之间绝缘，并且螺钉将其压紧，以保证涡流在金属外壳上连续流通。另外，机壳通风孔径大于5mm以上时，要盖上一层金属网罩，且将边缘与外壳焊牢，以保证良好的屏蔽效果。7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回c.磁场屏蔽 对于低频磁场的干扰，用感生涡流所形成的屏蔽并不是很有效的。我们一般采用导磁率高的材料作屏蔽体，利用其磁阻较小的特点，给干扰源产生的磁通提供一个低磁阻回路，并使其限制在屏蔽体内，从而实现磁场屏蔽。 由于频率较低，涡流趋肤效应很弱，因此，屏蔽板厚些要比薄些的屏蔽效果好。从机器结构重

47、量考虑，屏蔽板不易很厚，因此往往用高导磁率的材料制造，或采用具有一定间隔的两层屏蔽或多层屏蔽，以满足屏蔽效果要求。7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回(2). 双绞线和金属屏蔽线的使用 从现场信号开关输出的开关信号，或从传感器输出的微弱模拟信号，最简单的办法是采用塑料绝缘的双平行软线传送。但由于平行线间的分布电容较大，抗干扰能力差，不仅静电感应容易通过分布电容耦合，而且磁场干扰也会在信号线上感应出干扰电流。因此，在干扰严重的场所，一般不简单使用这种平行导线来传递信号，而是将信号线加以屏蔽，以提高抗干扰能力。 屏蔽信号线的办法，一种是采用双绞线，其中

48、一根用作信号传输线；另一种是采用金属网状编织的屏蔽线，金属编织网作屏蔽外层，芯线用来传输信号。一般的原则是抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线，抑制电磁感应干扰应该用双绞线。7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回 在实际电路中使用双绞线时，拧合在一起的两根导线很难保持其长度真正相等，往往因两根导线的线路阻抗不同而不能完全除掉感应噪声。 双绞线有抵制电磁感应干扰的作用，但两股导线间的分布电容却比较大，因而对静电干扰几乎没有什么抵抗能力。 对于两组相临平行放置的双绞线，为了抑制彼此的电磁感应干扰，可以采用彼此节距不同的绞线，或者增大两组平行绞线的间距，也可

49、以将它们分别穿于两组钢管中，以克服磁场的耦合干扰。 在微机实时系统的长线传输中，双绞线是比较常用的一种传输线。另外，在接指示灯、继电器等时，也要用双绞线。但由于这些线路中的电流比信号电流大很多，因此这些电路应远离信号电路。 7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 2. 屏蔽技术与双绞线传输下 页上 页返 回 屏蔽线对静电干扰有很强的抑制作用，但对电磁感应干扰抑制能力不及双绞线，尤其在低频情况下，几乎没有屏蔽效果。 由此得出结论：抑制静电干扰用屏蔽线，抑制电磁感应干扰应该用双绞线。 带金属屏蔽外层的双绞线，综合了双绞线和屏蔽线两者的优点，是较理想的信号线。在工程实践中，可以将双绞线穿在钢管或金属蛇

50、皮管中，并将钢管和金属蛇皮管牢固地接地，就可以收到较好的抗干扰效果。 7.3.3.抑制干扰的主要技术与措施 3. 隔离技术下 页上 页返 回 信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。 一般工业应用的智能仪器中的微机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。为了使两者之间既保持控制信号的联系。又要隔绝电气方面的联系，既实现弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。 测控装置与现场信号之间，弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、变

51、压器隔离、继电器隔离等。3. 隔离技术下 页上 页返 回a.光电隔离 光电隔离是由光电耦合器件完成的。光电耦合器是70年代发展起来的新型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用，因为光电耦合不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行间接耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。3. 隔离技术下 页上 页返 回 具体原因分析如下：（1）光电耦合器的输入阻抗很低

52、（一般为100-1k），而干扰源内阻一般都很大。按分压比原理，传送到光耦合器输入端的干扰电压就变得小了。（2）由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很少，只能形成很弱的电流。而光电耦合器的发光二极管只有通过一定的电流才能发光，因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使二极管发光，显然，干扰就被抑制掉了。（3）光电耦合的输入/输出间的电容很小(一般为0.5-2pF),绝缘电阻又非常大，因而被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统中去。（4）光电耦合器的光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。3. 隔离技术下 页上 页返

53、回 光电耦合器可根据要求不同，由不同种类的发光元件和受光元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管与光敏三极管组合的光电耦合器。光电耦合器的工作情况可用输入特性、输出特性来表示。（1）输入特性。光电偶合器的输入端是发光二极管，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示，它与普通晶体二极管的伏安特性仅有两点不同：一是正向死区比较大，既正向管压降较大，只有当外加电压大于这个数值时，二极管才发光；二是反方向击穿电压很小，比普通二极管的反向击穿电压要小的多。（2）输出特性。光电耦合器的输出端是光敏三极管，因此，它的输出特性与光敏三极管伏安特性是相似的，也分饱和、线性和截止三个区域。不同

54、之处是它以发光二极管的注入电流I为参变量。（3）传输特性。当光耦合器工作在线性区域时，输入电流与输出电流成线性关系，这种线性关系常用传输比来表示。3. 隔离技术下 页上 页返 回b. 继电器隔离 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现抗干扰隔离。c. 变压器隔离 脉冲变压器可实现数字信号的隔离。脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几pF，所以可作为脉冲信号的隔离器件。图3-2所示电路外部的输入信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰，然后输入

55、脉冲变压器的一次侧。为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系统内部。 3. 隔离技术下 页上 页返 回d. 布线隔离 数字控制设备的配线设计，除了力求美观、经济、便于维修等要求外，还应满足抗干扰技术的要求，合理布线。智能仪器中容易产生噪声的电路主要有以下几种：（1）指示灯、继电器和各种电动机的驱动电路，电源线路、晶闸管整流电路、大功率放大电路等。（2）连接变压器、蜂鸣器、开关电源、大功率晶体管、开关器件等的线路。（3）供电线路、高压大电流模拟信号的传输线路、驱动计算机外部设备的线路和穿越噪声污染区域的传输线路等。将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路

56、分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定距离。3. 隔离技术下 页上 页返 回 配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、感性负载驱动线等。配线间隔越大，离地面越近，配线越短，则噪声影响越小。但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能够维持最低限度的间隔距离便可。 当高电压线路中的电压、电流变化率很大时，便产生激烈的电场变化，形成高强度电磁波，对附近的信号线有严重的干扰。近些年，大功率控制装置普遍使用晶闸管，当晶闸管为非过零触发时，会产生高次谐波，所以靠近晶闸管的信号线易受电磁感应的影响。因此，为使信号线

57、路可靠工作，应使信号线尽量远离高压线路。如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线可靠工作，应使信号线尽量远离高压线路。如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。4. 接地技术下 页上 页返 回 实践证明，智能仪器和其他工业设备的干扰与系统接地方式有很大的关系。接地技术往往是抑制噪声的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反之，若接地处理的不好，反而会导致噪声耦合，形成严重干扰。因此，在抗干扰设计中，对接地方式应予以认真考虑。 电气设备中的“地”，通常

58、有两种含义：一种是“大地”，另一种是“工作基准地”。所谓“大地”，这里指电气设备的金属外壳、线路等通过接地线、接地极与地球大地相连接。这种接地可以保证设备和人身安全，提供静电屏蔽通路，降低电磁感应噪声。而“工作基准地”是指信号回路的基准导体，又称“系统地”。这时的所谓接地是指将装置内部某个部分电路信号返回线与基准导体之间连接。4. 接地技术下 页上 页返 回 电气设备接地目的有三个：其一是为各电路的工作提供基准电位；其二是为了安全；其三是为了抑制干扰。 根据用电法规，电气设备的金属外壳必须接地，称为安全接地。其目的是可以防止电气设备的金属外壳上出现过高的对地电压，以及漏电流而危害人身、设备的安

59、全。 抑制干扰。电子设备的某些部分与大地相接可以起到抑制干扰的作用。例如，金属屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；双绞线中的一根作信号线，另一根两端接地可以防止电磁干扰；大型电子设备往往具有很大的对地分布电容，合理选择接点可以消弱分布电容的影响等等。 根据电气设备中回路性质和接地目的，可将接地方式分为三类：（1）安全接地；设备金属外壳等的接地。（2）工作接地：信号回路接于基准导体或基准电位点。（3）屏蔽接地：电缆、变压器等屏蔽层的接地。4. 接地技术下 页上 页返 回 以下介绍屏蔽接地。为了抑制变化电场的干扰，智能仪器中广泛采用屏蔽保护。如电源变压器的初、次级间的屏蔽层，功能器件或线路的屏蔽罩等

60、。为了充分抑制静电感应和电磁感应的干扰，屏蔽用的导体必须良好接地。1.信号电缆屏蔽层接地点的选择 信号电缆屏蔽层接地电的选择，取决于外界干扰信号的强度以及地线安装条件。（1）接地点选择在信号源侧。当信号源端存在较强的共模噪声电压时，则向信号线与屏蔽外层间的分布电容充电。若电缆的屏蔽层在接收侧接地，往往共模噪声流过屏蔽层后入地，这会在芯线中感应出很大的噪声电压。因此，为防止噪声对芯线的干扰，将屏蔽层在信号源侧（即被测装置处）接地，以使噪声电流直接入地。4. 接地技术下 页上 页返 回（2）接地点选择在信号接收器侧。若信号源处的共模干扰不很严重，通过屏蔽层与芯线间的分布电容不足以引起对有效信号的严